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Fattori materiali che influiscono sulla durata dei cuscinetti
Le prime modalità di cedimento dei cuscinetti comprendono principalmente fessurazioni, deformazione plastica, usura, corrosione e fatica. In condizioni normali, il cedimento dei cuscinetti è dovuto principalmente alla fatica da contatto. Oltre alle condizioni di servizio, il cedimento dei cuscinetti è limitato principalmente dalla durezza, resistenza, tenacità, resistenza all’usura, resistenza alla corrosione e dallo stato di sollecitazione interna dell’acciaio. I principali fattori che causano guasti dovuti ai materiali dei cuscinetti sono i seguenti.
Acciaio per cuscinetti （AISI 52100 e GCr15） è uno dei principali fattori che influenza la durata dei cuscinetti. Utilizza principalmente la selezione dei materiali, la garanzia dei materiali e il trattamento termico per garantire il miglioramento portante la vita. I cuscinetti volventi sono generalmente realizzati in acciaio per cuscinetti al cromo ad alto tenore di carbonio e la loro composizione chimica rimane pressoché invariata. Tuttavia, diversi metodi di fusione portano a una diversa purezza dei materiali, il che ha un grande impatto sulla durata della vita. Nelle stesse condizioni di stress da contatto, la durata a fatica da contatto di cuscinetti ceramici è migliore di quello dei cuscinetti in acciaio; in caso di alta velocità, carico leggero e carico d'urto ridotto, si possono preferire i cuscinetti a sfere in ceramica. Si può notare che l’impatto dei materiali sulla durata a fatica dei cuscinetti è molto significativo.
Stato martensitico dell'acciaio per cuscinetti
Quando la struttura originale dell'acciaio al cromo ad alto contenuto di carbonio è perlite granulare, nello stato di rinvenimento a bassa temperatura dopo la tempra, il contenuto di carbonio della martensite temprata influenzerà in modo significativo le proprietà meccaniche dell'acciaio. La resistenza e la tenacità sono intorno allo 0.5%, la durata alla fatica da contatto è intorno allo 0.55% e la resistenza allo schiacciamento è intorno allo 0.42%. Quando il contenuto di carbonio di GCr15 la martensite bonificata in acciaio è dello 0.5% ~ 0.56%, la massima resistenza ai guasti può essere ottenuta con proprietà meccaniche complete.
La martensite ottenuta in questo caso è martensite criptocristallina e il contenuto di carbonio misurato è il contenuto medio di carbonio. Infatti, il contenuto di carbonio nella martensite non è uniforme all'interno della microregione. La concentrazione di carbonio vicino al carburo è superiore a quella della ferrite originale lontana dal carburo. Pertanto le temperature alle quali iniziano a subire la trasformazione martensitica sono diverse. Questo inibisce la crescita dei grani di martensite e la visualizzazione della morfologia microscopica e diventa martensite criptocristallina. Può evitare le microfessure che si verificano facilmente quando l'acciaio ad alto tenore di carbonio viene raffreddato e la sua sottostruttura è costituita da nastri di martensite con elevata resistenza e tenacità. Pertanto, solo quando si ottiene la martensite criptocristallina a medio carbonio durante la tempra dell'acciaio ad alto tenore di carbonio, le parti dei cuscinetti possono raggiungere il miglior stato di resistenza alla rottura.
Austenite residua nell'acciaio per cuscinetti
Dopo la tempra, l'acciaio al cromo ad alto tenore di carbonio può contenere l'8%~20% di Ar (austenite trattenuta). L'Ar nelle parti portanti presenta vantaggi e svantaggi. Per adattarsi alle migliori condizioni, il contenuto di Ar dovrebbe essere appropriato. Poiché la quantità di Ar è principalmente correlata alle condizioni di austenitizzazione di tempra e riscaldamento, la sua quantità influenzerà anche il contenuto di carbonio della martensite bonificata e la quantità di carburi non disciolti. È difficile riflettere accuratamente l’impatto della quantità di Ar sulle proprietà meccaniche. A tal fine sono state fissate le condizioni austenitiche ed è stato utilizzato il processo di stabilizzazione termica austenitizzante per ottenere diverse quantità di Ar. È stato studiato l'effetto del contenuto di Ar sulla durezza e sulla durata a fatica da contatto dell'acciaio GCr15 dopo tempra e bassa temperatura. All’aumentare del contenuto di austenite, la durezza e la durata a fatica da contatto aumentano, per poi diminuire dopo aver raggiunto il picco, ma il contenuto di picco di Ar è diverso. Il picco di durezza si verifica a circa il 17% Ar, mentre la durata a fatica da contatto Il picco si verifica a circa il 9%.
Quando il carico di prova diminuisce, diminuisce l'impatto sulla durata a fatica da contatto dovuto all'aumento del contenuto di Ar. Questo perché quando la quantità di Ar è piccola, ha poco effetto sulla riduzione della resistenza, ma l’effetto di indurimento è evidente. Il motivo è che quando il carico è piccolo, l'Ar subisce una piccola quantità di deformazione, che non solo riduce il picco di sollecitazione, ma rafforza anche l'Ar deformato attraverso la trasformazione martensitica indotta da sforzo e deformazione. Tuttavia, se il carico è elevato, la grande deformazione plastica dell'Ar e della matrice causerà la concentrazione locale delle sollecitazioni e la rottura, riducendo così la durata di servizio. È opportuno precisare che l'effetto benefico dell'Ar deve avvenire nello stato stabile dell'Ar. Se si trasforma spontaneamente in martensite, la tenacità dell'acciaio diminuirà drasticamente e l'acciaio diventerà fragile.
Carburi non disciolti nell'acciaio per cuscinetti
La quantità, la morfologia, le dimensioni e la distribuzione dei carburi non disciolti nell'acciaio da bonifica sono influenzate non solo dalla composizione chimica dell'acciaio e dalla struttura originaria prima della tempra, ma anche dalle condizioni di austenitizzazione. Per quanto riguarda l'impatto dei carburi non disciolti sulla durata dei cuscinetti, esistono meno studi sull'impatto. Il carburo è una fase dura e fragile. Oltre ad essere vantaggioso per la resistenza all'usura, causerà una concentrazione di stress sulla matrice durante il carico (specialmente se il carburo non è sferico) e causerà crepe, che ridurranno la tenacità e la resistenza alla fatica. Oltre al proprio impatto sulle proprietà dell'acciaio, i carburi non disciolti temprati influenzano anche il contenuto di carbonio e di Ar e la distribuzione della martensite temprata, avendo così un ulteriore impatto sulle proprietà dell'acciaio.
Per rivelare l'impatto dei carburi non disciolti sulle prestazioni, è stato utilizzato acciaio con diversi contenuti di carbonio. Dopo la tempra, il contenuto di carbonio della martensite e il contenuto di Ar erano gli stessi ma il contenuto di carburo non disciolto era diverso. Dopo il rinvenimento a 150°C, poiché la martensite ha lo stesso contenuto di carbonio e una maggiore durezza, un piccolo aumento dei carburi non disciolti non aumenterà di molto la durezza. Il carico di pressione che riflette la resistenza e la tenacità diminuirà, ma la durata a fatica da contatto, che è sensibile alla concentrazione delle sollecitazioni, aumenterà in modo significativo. ridurre. Pertanto, un eccessivo raffreddamento dei carburi non disciolti è dannoso per le proprietà meccaniche complessive e la resistenza alla rottura dell'acciaio. Ridurre opportunamente il contenuto di carbonio dell'acciaio dei cuscinetti è uno dei modi per aumentare la durata operativa dei cuscinetti.
Apparecchiature avanzate per il trattamento termico di Aubearing
Oltre alla quantità di carburi temprati non disciolti che influiscono sulle proprietà del materiale, anche la dimensione, la morfologia e la distribuzione influiscono sulle proprietà del materiale. Per evitare danni causati dai carburi non disciolti nell'acciaio per cuscinetti, è necessario che i carburi non disciolti siano piccoli (piccola quantità), piccoli (piccola dimensione), uniformi (la differenza dimensionale è molto piccola l'uno dall'altro e distribuiti uniformemente), rotondo (ogni carburo è sferico). Va sottolineato che una piccola quantità di carburi non disciolti nell'acciaio per cuscinetti dopo la tempra è necessaria non solo per mantenere una sufficiente resistenza all'usura, ma anche per ottenere criptomartensite a grana fine.
Tensioni residue dopo bonifica
Le parti dei cuscinetti presentano ancora un notevole stress interno dopo l'estinzione e il rinvenimento a bassa temperatura. La tensione interna residua nelle parti presenta sia vantaggi che svantaggi. Dopo il trattamento termico dell'acciaio per cuscinetti, all'aumentare della tensione di compressione residua sulla superficie, aumenta la resistenza alla fatica dell'acciaio. Al contrario, quando diminuisce la tensione interna residua sulla superficie, diminuisce la resistenza a fatica dell’acciaio del cuscinetto. Questo perché il cedimento per fatica del cuscinetto si verifica quando è sottoposto a sollecitazioni di trazione eccessive. Quando sulla superficie rimane una grande sollecitazione di compressione, compenserà la sollecitazione di trazione dello stesso valore e il valore effettivo della sollecitazione di trazione dell'acciaio del cuscinetto sarà ridotto, causando affaticamento Quando il valore limite di resistenza aumenta, quando rimane una grande sollecitazione di trazione sulla superficie, si sovrapporrà al carico di trazione e la sollecitazione di trazione effettiva dell'acciaio del cuscinetto aumenterà in modo significativo, anche se il valore limite di resistenza a fatica viene ridotto. Pertanto, anche lasciare una grande sollecitazione di compressione sulla superficie delle parti del cuscinetto dopo la tempra e il rinvenimento è una delle misure per migliorare la durata di servizio (ovviamente, un'eccessiva sollecitazione residua può causare deformazione o addirittura fessurazione del cuscinetto, quindi occorre prestare sufficiente attenzione) .
Contenuto di impurità dell'acciaio per cuscinetti
Le impurità nell'acciaio per cuscinetti includono inclusioni non metalliche e contenuto di elementi nocivi (solubili in acidi). Il loro danno alla performance spesso si rafforza a vicenda. Ad esempio, maggiore è il contenuto di ossigeno, maggiori saranno le inclusioni di ossido. L'impatto delle impurità presenti nell'acciaio dei cuscinetti sulle proprietà meccaniche e sulla resistenza ai guasti delle parti è correlato al tipo, alla natura, alla quantità, alle dimensioni e alla forma delle impurità, ma solitamente ha l'effetto di ridurre la tenacità, la plasticità e la durata a fatica.
All’aumentare della dimensione delle inclusioni, la resistenza alla fatica diminuisce, e maggiore è la resistenza alla trazione dell’acciaio del cuscinetto, maggiore è la tendenza alla diminuzione. All’aumentare del contenuto di ossigeno nell’acciaio dei cuscinetti (aumento delle inclusioni di ossido), diminuiscono anche la fatica da flessione e la durata a fatica da contatto sotto l’azione di sollecitazioni elevate. Pertanto, per le parti dei cuscinetti che operano sotto stress elevato, è necessario ridurre il contenuto di ossigeno dell'acciaio dei cuscinetti utilizzato nella produzione. Alcuni studi hanno dimostrato che le inclusioni di MnS nell'acciaio hanno una forma ellissoidale e possono avvolgere inclusioni di ossidi dannosi, quindi hanno un impatto minore sulla riduzione della vita a fatica e possono anche essere utili, quindi possono essere controllate con indulgenza.
Controllo dei fattori materiali che influiscono sulla durata dei cuscinetti
Per mantenere nel migliore stato possibile i fattori materiali sopra menzionati che influiscono sulla durata del cuscinetto, è necessario innanzitutto controllare la struttura originaria dell'acciaio prima della tempra. Le misure tecniche che possono essere adottate includono: austenitizzazione ad alta temperatura (1050°C) e raffreddamento rapido a 630°C normalizzazione isotermica per ottenere una struttura di perlite fine pseudo eutettoide, o trattamento isotermico a 420°C per ottenere una struttura di bainite. La ricottura rapida utilizzando il calore di scarto della forgiatura e della laminazione può essere utilizzata anche per ottenere una struttura di perlite a grana fine per garantire che i carburi nell'acciaio siano fini e distribuiti uniformemente. Quando la struttura originale in questo stato viene austenitizzata mediante tempra e riscaldamento, oltre ai carburi disciolti nell'austenite, i carburi non disciolti si aggregheranno in particelle fini.
Quando la struttura originale dell'acciaio è costante, il contenuto di carbonio della martensite bonificata (ovvero il contenuto di carbonio dell'austenite dopo la tempra e il riscaldamento), la quantità di austenite trattenuta e la quantità di carburi non disciolti dipendono principalmente dalla temperatura di riscaldamento di tempra e tempo di attesa. , all'aumentare della temperatura di riscaldamento della tempra (per un certo tempo), il numero di carburi non disciolti nell'acciaio diminuisce (il contenuto di carbonio della martensite bonificata aumenta), la quantità di austenite trattenuta aumenta e la durezza aumenta inizialmente con l'aumento della tempra temperatura. Dopo aver raggiunto il valore di picco, diminuisce all'aumentare della temperatura. Quando la temperatura di riscaldamento di raffreddamento è costante, all'aumentare del tempo di austenitizzazione, la quantità di carburi non disciolti diminuisce, la quantità di austenite trattenuta aumenta e la durezza aumenta. Quando il tempo è più lungo, questa tendenza rallenta. Quando i carburi nella struttura originale sono fini, è facile dissolverli nell'austenite, quindi il picco di durezza dopo la tempra si sposta a una temperatura inferiore e si manifesta in un tempo di austenitizzazione più breve.
Riassumendo, dopo la tempra dell'acciaio GCrI5, la composizione strutturale ottimale è di circa il 7% di carburi non disciolti e circa il 9% di austenite trattenuta (il contenuto medio di carbonio della martensite criptocristallina è di circa 0.55%). inoltre, quando i carburi nella struttura originale sono piccoli e distribuiti uniformemente, quando la composizione microstrutturale al livello precedente è controllata in modo affidabile, è vantaggioso ottenere proprietà meccaniche elevate e complete e quindi avere un'elevata durata. Va sottolineato che quando la struttura originale con carburi fini dispersi viene raffreddata, riscaldata e mantenuta calda, i carburi fini non disciolti si aggregheranno e cresceranno, rendendola grossolana. Pertanto, il tempo di raffreddamento e riscaldamento per le parti portanti con questa struttura originale non dovrebbe essere troppo lungo. Utilizzando un processo di tempra austenitizzante a riscaldamento rapido si otterranno proprietà meccaniche complete più elevate.
Per lasciare una grande sollecitazione di compressione sulla superficie delle parti del cuscinetto dopo l'estinzione e il rinvenimento, è possibile introdurre un'atmosfera di cementazione o nitrurazione durante l'estinzione e il riscaldamento e la cementazione o nitrurazione superficiale può essere eseguita per un breve periodo di tempo. Poiché il contenuto effettivo di carbonio dell'austenite non è elevato quando questo tipo di acciaio viene raffreddato e riscaldato, che è molto inferiore alla concentrazione di equilibrio mostrata nel diagramma di fase, può assorbire carbonio (o azoto). Quando l'austenite contiene una maggiore quantità di carbonio o azoto, la sua Ms diminuisce. Durante la tempra, lo strato superficiale subisce una trasformazione martensitica dietro lo strato interno e il nucleo, con conseguente maggiore stress di compressione residuo. Dopo che l'acciaio GCrl5 è stato riscaldato e raffreddato in atmosfera cementante e non cementante (entrambi sono stati rinvenuti a bassa temperatura), il test di fatica da contatto ha dimostrato che la durata di esercizio dell'acciaio cementato in superficie era 1.5 volte più lunga di quella dell'acciaio non cementato. Il motivo è che la superficie delle parti cementate presenta un elevato stress di compressione residuo.
Conclusione
I principali fattori materiali e il grado di controllo che influiscono sulla durata di esercizio delle parti dei cuscinetti volventi in acciaio al cromo ad alto tenore di carbonio sono:
(1) I carburi nella struttura originale dell'acciaio prima della tempra devono essere fini e dispersi. Può essere ottenuto utilizzando l'austenitizzazione ad alta temperatura di 630 ℃ o 420 ℃, oppure utilizzando il calore di scarto della forgiatura e della laminazione per una ricottura rapida.
(2) Dopo aver temprato l'acciaio GCr15, è necessario ottenere una microstruttura di martensite criptocristallina con un contenuto medio di carbonio di circa 0.55%, circa 9% di Ar e circa 7% di carburi non disciolti in uno stato uniforme e rotondo. Questa microstruttura può essere ottenuta controllando la temperatura e il tempo di riscaldamento dell'estinzione.
(3) Dopo che le parti sono state raffreddate e rinvenute a bassa temperatura, è necessaria una grande sollecitazione di compressione residua sulla superficie, che aiuta a migliorare la resistenza alla fatica. La superficie può essere carburata o nitrurata per un breve periodo di tempo durante la tempra e il riscaldamento, in modo che sulla superficie rimanga una grande sollecitazione di compressione.
(4) L'acciaio utilizzato per fabbricare le parti dei cuscinetti richiede un'elevata purezza, principalmente per ridurre il contenuto di O2, N2, P, ossidi e fosfuri. La rifusione dell'elettroscoria, la fusione sotto vuoto e altre misure tecniche possono essere utilizzate per garantire che il contenuto di ossigeno del materiale sia ≤ 15 PPM.